РАСТЕКАНИЕ И ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЛАКОВ ПРИ ПРОЛИВЕ ЖИДКОГО МЕТАНА. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ
1. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ возможных аварий и пожаров на изотермическом резервуаре / И.А. Болодьян, В.П. Молчанов, Ю.И. Дешевых и др. Пожарная безопасность. - 2000. - № 3. - С. 43-50.
Представлены методики оценки параметров пожаровзрывоопасности при авариях на изотермических резервуарах для хранения сжиженного природного газа, разработанные на основе отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований процессов растекания, испарения и формирования пожаровзрывоопасных облаков при аварийных проливах сжиженных газов, а также дефлаграции и детонации облаков в неограниченном пространстве.
Ил. 7, табл. 3, библиогр.: 19 назв.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В настоящей статье, как и в предшествующих публикациях [1, 2], рассматривается проблема пожаровзрывобезопасности объектов хранения сжиженного природного газа (СПГ). Для понимания процессов, происходящих при аварийных разрушениях сосудов и разлитии жидкого метана, целесообразно кратко остановиться на термодинамическом состоянии хранимых в емкостях веществ. Для этого удобно воспользоваться диаграммой состояния в предположении, что рассматривается система однокомпонентная и химически не реагирующая. Выбор такой диаграммы (давление - температура, энтальпия - давление и т. п.) в известном смысле является произвольным и определяется исключительно наглядностью процесса. На рис. 1 представлена диаграмма термодинамического состояния метана в координатах "температура - энтропия".
|
|
|
На диаграмме обозначены характерные параметры (Ркр ,Ткр ,Ткип и др.). Линии АК и КД характеризуют параметры соответственно жидкости и газа в состоянии насыщения. Область, ограниченная кривой АКД, - область совместного существования двухфазной системы "жидкость + пар". Состояние жидкости, хранящейся при атмосферном давлении и Ткип, обозначено на диаграмме точкой А.
При освобождении жидкости в результате разрушения емкости разлитая жидкость под воздействием подводимого к ней тепла от поверхности и окружающего воздуха начнет испаряться. При этом состояние двухфазной системы будет характеризоваться точками по линии АД, состояние паровой фазы - точкой Д и далее по линии ДF (по мере прогрева пара).
Если жидкость в емкости хранится под давлением (например, при Р = 1,0 МПа, как показано на рис. 1), ее состояние будет определяться точкой В. При внезапном разрушении емкости происходит скачкообразный спад давления с 10 до 1 атм. При этом температура вещества снижается со 147 до 111,5 К (для метана). Указанный процесс идет в направлении от точки В к Е. Освобождающийся в результате запас внутренней энергии системы (PV, где V- вместимость емкости) идет на испарение жидкости, причем процесс носит взрывной характер и длится, как правило, доли секунды. В зарубежной литературе этот процесс называют BLEVE (Boiling Liquid Expending Vapour Explosion) - взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости. Доля мгновенно образовавшегося при этом пара X равна отношению отрезков АЕ/АД, или X = Сж- 
/Lисп, где Сж - теплоемкость жидкости, - разность температур при переходе из начального состояния в конечное, Lисп- теплота испарения. В нашем случае для давления хранения Р, равного 1,0 МПа, Х= 0,23, для Р = 0,12 МПа Х= 0,015.
|
|
|
Рис. 1. Термодинамическое состояние метана: АЕ-ЕД-ДЕ - направление процесса испарения при проливе жидкости, хранящейся при Р = 0,1 МПа; ВЕ-ЕД-ДЕ - направление процесса испарения при проливе жидкости, хранящейся при Р = 1,0 МПа
На практике процесс спонтанного испарения сопровождается захватом и вовлечением в паровое облако части жидкости, распыляемой до аэрозольного состояния, причем масса захваченной жидкости по порядку величины равна массе пара. Таким образом, если рассчитанное значение X> 0,5, то следует принимать, что вся жидкость при аварии перейдет в пароаэрозольное облако. В работе [3] принимается, что полное превращение жидкости в пароаэрозольное облако возможно при Х> 0,35.
|
|
|
Таким образом, масса пара и аэрозоля, образующегося при мгновенном, спонтанном испарении жидкости, а следовательно, и размеры пароаэрозольного облака зависят от начального давления хранения и количества жидкости. Поскольку обычно при изотермическом хранении жидкости давление в резервуаре поддерживается на уровне несколько выше атмосферного (во избежание подсоса воздуха в систему), то доля мгновенно испаряющейся жидкости, как правило, невелика. Так, при избыточном давлении в резервуаре жидкого метана, равном 0,02 МПа, эта доля не превышает 1,5%. Однако для крупнотоннажных хранилищ абсолютное количество пара и аэрозоля даже в этом случае может достигать сотен и тысяч тонн.
Частичное нарушение целостности резервуара (трещина, пробой, обрыв труб и т. д.) приводит, в зависимости от размера разгерметизации и места ее появления (выше или ниже уровня жидкости), к авариям различного масштаба. Однако в связи со спецификой физических свойств жидкого метана и технологией его хранения любое нарушение целостности резервуара сопровождается разрушением изоляции, подводом тепла к жидкости, ее вскипанием и подъемом давления в емкости. Если предохранительные устройства на емкости исправны, авария сопровождается истечением жидкости или пара под действием внутреннего давления. В противном случае происходит разрушение емкости.
|
|
|
РАСТЕКАНИЕ И ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ
При аварийном разлитии жидкого метана и формировании пожаровзрывоопасного облака в окружающем пространстве определяющим параметром процесса является скорость испарения с поверхности разлитой жидкости. В частности, при проливе в пределах обвалования скорость испарения определяет интенсивность поступления горючего газа в атмосферу, что, в свою очередь, влияет на размеры облака, массу газа, способную к взрыву, и время существования потенциальной опасности взрыва. При проливе жидкости на неограниченную поверхность размеры зон разлития, а следовательно, масштабы и последствия возможного взрыва и пожара также в основном определяются скоростью испарения.
Скорость испарения криогенных жидкостей зависит от суммарного теплового потока, подводимого к жидкости от подстилающей поверхности, конвекцией из окружающей атмосферы, а также радиацией (солнечной или пламени пожара). Указанные тепловые потоки определяются характером поверхности испарения (грунт, бетон, вода и т. д.), ее качеством (проницаемость, влажность), а также состоянием атмосферы (ветер, турбулентность и пр.).
Скорость испарения
Скорость испарения жидкостей обычно выражают в кг/(м2с) (массовая скорость испарения т) и м/с или мм/с (линейная скорость испарения U). Массовая и линейная скорости испарения связаны выражением т= 
-U, где - плотность жидкости при температуре кипения.
При проливе жидкого метана на твердую поверхность при нормальных условиях разность температур в начальный момент достигает =181 °С. При такой разности температур твердая поверхность по отношению к жидкости является "раскаленной". В этот момент к жидкости направлен значительный поток тепла (до 100 кВт/м2), и она практически мгновенно закипает.
Процессы кипения жидкостей, в том числе криогенных, хорошо изучены экспериментально. На рис. 2 представлена кривая кипения для жидкого метана [4]. В зависимости от характера образования паровой фазы различают пузырьковое кипение, при котором пар образуется во многих местах греющей поверхности и поднимается вверх в виде отдельных пузырьков, и пленочное кипение, при котором между поверхностью и жидкостью образуется сплошная паровая пленка. Обычно пузырьковое кипение наблюдается при разности температур < 40 °С. При контакте криогенной жидкости с поверхностью по мере ее охлаждения тепловой поток к жидкости уменьшается и падает скорость испарения (примерно по линейному закону). Однако при = 40 °С для метана происходит скачкообразное увеличение теплового потока (так называемый второй кризис кипения) за счет резкого увеличения процесса теплообмена между поверхностью и жидкостью. В этот момент достигается наивысшая скорость испарения (первый кризис кипения). По мере дальнейшего падения она снова уменьшается (по закону 5 ).
Рис. 2. Кривая кипения метана
Приведенные на рис. 2 данные по кипению жидкости получены в лабораторных условиях.
На практике процессы испарения осложнены влиянием многих факторов. Наиболее надежные данные по скоростям испарения жидкости можно получить экспериментальным путем. Однако такие эксперименты, особенно крупномасштабные, весьма трудоемки и дороги. Поэтому чаще всего используют сочетание физико-математических моделей с различной степенью упрощения задачи с контрольными экспериментальными результатами. Модель, дающая наилучшее согласие с экспериментом, как правило, принимается за основу метода расчета тепловых потоков и скоростей испарения.
Переменную во времени массовую скорость испарения m(t) определяют по уравнению
m(t) =q(t)/Lисп,
где q(t) - переменный во времени тепловой поток к жидкости; Lисп - теплота испарения.
Тепловой поток q(t) пропорционален разности температур "поверхность - жидкость":
q(t)= 
[T(t)-Tкип],
где - коэффициент теплоотдачи.
Таким образом, если известно распределение температуры в твердом теле при его охлаждении T(t) и коэффициент теплоотдачи , то можно определить тепловой поток и массовую скорость испарения.
Распределение температуры T(t) находится путем решения дифференциального уравнения теплопроводности, причем при постоянном значении это решение можно получить аналитически, при переменном — численным методом. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что оба метода дают довольно близкие значения скоростей испарения.
В результате аналитического решения получена простая формула для вычисления m(t), справедливая для t >100 с:
m(t) = ( 
c 
)0,5 
/Lисп( 
t)0,5,
где
произведение c - тепловая активность твердого тела ( - теплопроводность,
с - теплоемкость,
— плотность);
- начальная разность температур «поверхность - жидкость».
Значения , c, для некоторых твердых покрытий даны в табл. 1.
В целях упрощения считается, что эти величины не зависят от температуры.
Таблица 1 - Теплофизические константы материалов
| Материал | ,Вт/(м К)
| с, Дж/(кг К) | 103, кг/м3
|
| Нержавеющая сталь | 16,00 | 470 | 7,80 |
| Гравий | 0,36 | 840 | 1,84 |
| Бетон, грунт песчаный | 0,84 | 840 | 1,60 |
| Вода | 0,55 | 4200 | 1,00 |
На рис. 3 в качестве примера приведена зависимость массовой скорости испарения жидкого метана с бетонной поверхности от времени, рассчитанная аналитически, численно и по экспериментальным данным [5]. Видно достаточно хорошее согласие результатов. Перегиб расчетной кривой 2, полученной численным методом, примерно на 100-й секунде соответствует переходному режиму кипения, который в экспериментах проявляется в бурном кратковременном (приблизительно 5-10 с) вскипании жидкости и ее успокоении при переходе к более медленному пузырьковому режиму кипения.
Рис. 3. Зависимость массовой скорости испарения метана с бетонной поверхности от времени: 1 - аналитический расчет; 2 - численный расчет; •- эксперимент
Приведенные на рис. 3 зависимости являются типичными для различных поверхностей испарения. Характерный признак этих зависимостей - существование начального нестационарного участка длительностью 100 с, на котором скорость испарения падает в 5-6 раз и затем в режиме квазистационарного испарения меняется по закону (t)-0,5
В табл. 2 представлены средние значения массовых скоростей испарения жидкого метана в режимах нестационарного и квазистационарного испарения с различных поверхностей, полученные расчетным путем и откорректированные по экспериментальным данным [5, 6].
Таблица 2 Средние значения массовых скоростей испарений жидкого метана, кг/(м2 с)
| Поверхность испарения | Нестационарный режим (< 100 с) | Квазистационарный режим (»100с) |
| Бетон | 0,05 | 0,02 |
| Грунт (песчаный) | 0,07 | 0,025 |
| Вода (спокойная поверхность) | 0,03 | 0,01 |
Максимальная массовая скорость испарения т0 достигается в начальный момент касания жидкостью поверхности при температуре Т0 и не зависит от типа поверхности.
Значение т0 определяется коэффициентом теплоотдачи при пленочном режиме кипения жидкости в большом объеме, т. е. т0 = (T0 -Tкип )/Lисп.
Для метана - 300 Вт/(м2 К).
Таким образом, при Т0 =293 К для метана т0 = 0,11 кг/(м2с).
В реальных условиях на интенсивность испарения криогенных жидкостей значительное влияние может оказывать влажность и проницаемость грунта. При просачивании жидкости в пористый грунт или слой гравия значительно возрастает эффективная поверхность испарения Fэф в результате чего пропорционально увеличению площади растет и эффективная массовая скорость испарения
где т - средняя массовая скорость испарения с грунта, F- площадь разлития.
При проливе криогенной жидкости на влажный грунт появляется дополнительный поток тепла к жидкости за счет замерзания воды.
Влияние этих факторов на скорость испарения криогенных жидкостей было изучено экспериментально [5]. На рис. 4 показана зависимость массовой скорости испарения жидкого метана при проливе на песчаный грунт с различной степенью влажности от времени.
Рис. 4. Зависимость массовой скорости испарения метана с песчаного грунта различной
влажности от времени:
1 - проницаемый грунт; 
- сухой грунт; 
- влажный грунт (влажность 3,4%); 2 , • - непроницаемый (плотный) грунт
Эксперименты показали, что явление просачивания жидкости характерно только для не слишком плотного песчаного грунта. Скорость испарения при просачивании существенно увеличивается на начальном нестационарном участке процесса, в дальнейшем при t > 500-600 с влияние проницаемости грунта становится незначительным.
Таким образом, можно принять, что на нестационарном участке кипения массовая скорость испарения жидкого метана при проливе на проницаемый песчаный грунт увеличивается в среднем в 2 раза.
Влажность песчаного грунта увеличивает скорость испарения незначительно (в среднем на 20-30%).
Влияние ветра на интенсивность испарения криогенных жидкостей сказывается на более поздних стадиях процесса, когда разность температур между поверхностью пролива и жидкостью становится равной 4-5 °С и менее. В этот момент тепловой поток к жидкости резко падает и существенным становится поток тепла от окружающей атмосферы.
Долю теплового потока от окружающей атмосферы в общем потоке тепла к жидкости можно оценить аналитически, используя известное критериальное уравнение конвективного теплообмена при обтекании поверхности воздушным потоком [7].
Nu = 0,035 Pr0,33 Re0,8
где Nu- критерий Нуссельта, Nu - L/ ; Pr - критерий Прандтля, Рr= v /a; Re- критерий Рейнольдса, Re = 
L/ 
; ~ коэффициент теплоотдачи [Вт/(м2 К)]; L - характерный размер (м); , , - соответственно теплопроводность [Вт/(м К)], кинематическая вязкость (м2/с) и температуропроводность (м2/с) воздуха; w - скорость ветра (м/с).
Учитывая, что v 
а и массовая скорость испарения m(t) = ILисппосле несложных преобразований можно получить конвективную составляющую (т. е. за счет потока воздуха) массовой скорости испарения жидкости mк = 0,035 0,8 / (L0,2, 0,8 Lисп).
Это выражение справедливо для скоростей ветра, при которых не происходит срыва жидкости с поверхности. В частности, для жидкого метана эта скорость составляет 18-20 м/с. Расчеты mк можно проводить по номограммам (рис. 5) в зависимости от скорости ветра и площади разлития криогенной жидкости. Корректность оценок т подтверждается экспериментальными результатами по испарению жидкого метана [5], представленными в виде номограммы.
Рис. 5. Расчетная зависимость конвективной составляющей массовой скорости испарения жидкого метана mk от скорости ветра w и диаметра области разлития d при То= 293 К и Ро = 0,1 МПа:
• - эксперимент; 1 - d = 1 м; 2 - d = 5 м; 3 - d — 10 м; 4 - d = 20 м; 5 - d = 30 м
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 764; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!